JP6962261B2 - 機械装置の異常診断方法及び異常診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、機械装置の異常診断方法及び異常診断装置に関する。

風車、鉄道車両、工作機械等の機械装置においては、回転部品等の異常による不具合の発生を防止するため、定期的に検査を実施している。例えば、風力発電装置においては、山間部や海洋上に設置されて長期間に亘って連続運転されるため、使用環境が過酷になる。しかも、風力発電装置は交通アクセスが悪い場所に設置されることが多く、一旦故障が発生するとメンテナンスに多大なコストを要する問題がある。

そのため、機械装置にセンサを取り付けて異常検出や状態監視を行う異常診断システムが種々提案されている（例えば、特許文献１〜４）。
特許文献１〜３の異常診断システムでは、機械装置の入出力軸や中間軸、又は機械装置と繋がっている主軸等の角速度（回転速度）を測定して、各測定位置の角速度や各測定位置間の角速度比等から機械装置の異常を検知している。また、特許文献４の異常診断システムでは、上記した角速度に代えて、振動センサ、超音波センサ、ＡＥ（アコースティックエミッション）センサによる振動測定によって異常診断を行っている。

特許第５８２６８６６号公報 特許第５５３４８７５号公報 米国特許第９８１０２０３号明細書 特許第５４１９４７２号公報

一般に、変速機のような機械装置では、変速により軸の角速度に変化があった場合、各測定位置の角速度は一時的に変動が生じるが、時間の経過とともに一定に収束する。しかし、機械装置内に何らかの異常が生じた場合、機械装置内のトルク（回転に対する抵抗力）が変化し、正常な場合と比べて角速度変化時の角速度変動幅、角速度が一定になるまでの時間、等の各種特性が変化する。そのため、特許文献１、２の技術では、機械装置の入出力軸、中間軸等の角速度を検出して異常診断する際、外的要因によって入力トルクの変動が生じた場合に、各測定位置で角速度の挙動が変化して、診断精度が低下するという問題が生じる。
特許文献３の技術では、角速度を機械装置の２箇所で測定することでトルクの時間変動が得られるが、２箇所の角速度からは、単に入力トルクが増大したのか、トルク伝達に異常が生じたのかを切り分けすることができない。そのため、適正に異常を診断できない場合がある。

また、特許文献４のように、振動測定により異常診断を行う場合、機械装置の内部や周辺部には多数の振動、超音波、ＡＥの発生源があるため、測定結果に不要なノイズが重畳して、正確な診断が困難になる。また、使用するセンサ類は高価であり、装置コストが増加するという不利がある。

そこで本発明は、測定のための設備コストの増加を抑え、装置外部からの要因により角速度の測定に影響が及んでも、高精度に異常を診断できる機械装置の異常診断方法及び異常診断装置を提供することを目的とする。

本発明は下記構成からなる。
（１） 回転駆動される回転部を有する機械装置において、前記回転部の３箇所以上の測定点で、前記回転部の角速度をそれぞれ検出する工程と、
前記測定点で検出された前記角速度から、各測定点の定常の角速度値が同じになるように補正した修正角速度をそれぞれ求めて、前記測定点間の前記修正角速度の差を前記測定点の区間毎に求め、これら前記区間毎の修正角速度差の比と、予め定めた閾値とを相対比較して、前記機械装置に発生する異常を診断する工程と、
を備える機械装置の異常診断方法。
（２） 回転駆動される回転部を有する機械装置において、前記回転部の３箇所以上の測定点に設置され、前記回転部の角速度をそれぞれ検出する角速度検出部と、
前記測定点で検出された前記角速度から、各測定点の定常の角速度値が同じになるように補正した修正角速度をそれぞれ求めて、前記測定点間の前記修正角速度の差を前記測定点の区間毎に求め、これら前記区間毎の修正角速度差の比と、予め定めた閾値とを相対比較して、前記機械装置に発生する異常を診断する異常診断部と、
を備える異常診断装置。

本発明によれば、測定のための設備コストの増加を抑え、装置外部からの要因により角速度の測定に影響が及んでも、高精度に異常を診断できる。

異常診断装置を備える風力発電装置の概略構成図である。 主軸、増速機に異常がなく、入力トルクが一定の状態で角速度が増加した場合の各測定点における修正角速度を模式的に示す説明図である。 主軸、増速機に異常がなく、入力トルクにトルク変動がある状態で角速度が増加した場合の各測定点における修正角速度を模式的に示す説明図である。 増速機に異常はなく主軸に異常があり、入力トルクが一定の状態で角速度が増加した場合の各測定点における修正角速度を模式的に示す説明図である。 主軸に異常はなく増速機に異常があり、入力トルクが一定の状態で角速度が増加した場合の各測定点における修正角速度を模式的に示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
ここでは、機械装置の一例として風力発電装置を用いて説明するが、本発明はこれに限らない。

図１は異常診断装置を備える風力発電装置の概略構成図である。
風力発電装置１０は、主軸（回転部）１１と、ブレード１３と、増速機１５と、発電機１７と、を備える。主軸１１、増速機１５、発電機１７は、図示は省略するが、タワーによって支持されるナセル内に格納される。

主軸１１の先端に設けられたブレード１３は、風力から変換して得られた回転トルクを主軸１１に伝達する。主軸１１は、一対の主軸軸受１９Ａ，１９Ｂによって回転自在に支持され、風力を受けたブレード１３が発生する回転トルクを、増速機１５の入力軸２３へ伝達する。増速機１５は、入力軸２３の回転を増速して出力軸２５に伝達して、カップリング２６を介して発電機１７を回転駆動する。この増速機１５は、例えば、軸受に回転自在に支持された複数の中間軸を有する歯車増速機構によって構成される。

発電機１７は、増速機１５の出力軸２５から受ける回転トルクによって発電する、例えば誘導発電機により構成される。

上記構成の風力発電装置１０の異常を検出し、診断を行う異常診断装置１００は、角速度検出部である複数のエンコーダ３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃと、修正角速度差検出部３３と、異常診断部３５とを備える。

エンコーダ３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃは、風力発電装置１０の回転部の互いに異なる測定点Ｍａ，Ｍｂ，Ｍｃに設置され、各測定点Ｍａ，Ｍｂ，Ｍｃにおける回転部の角速度（回転速度）を検出する。

測定点Ｍａのエンコーダ３１Ａは、回転部である主軸１１に設けられ、測定点Ｍｂのエンコーダ３１Ｂは、回転部である増速機１５の入力軸２３に設けられる。また、測定点Ｍｃのエンコーダ３１Ｃは、回転部である増速機１４の出力軸２５に設けられる。

これらエンコーダ３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃは、多数の凹凸が円周方向に沿って形成されたリング状部材３７と、凹凸を検出する変位センサ３９をそれぞれ有し、各回転軸の角速度を検出する。エンコーダ３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃは、例えば、円周方向にＳ極、Ｎ極が交互に磁化された磁気リングと、この磁気リングの磁気を検出する磁気センサとから構成されるが、このような磁気検出方式に限らず、回転位置を検出することができれば、他の検出方式のものであってもよい。

角速度を精度よく検出するためには、エンコーダ（リング状部材３７）の凹凸数や磁極数は多いほど好ましい。また、円周方向に複数の変位センサ３９や磁気センサを取り付けてもよい。各配置数が増えるほど測定精度を向上できる。なお、エンコーダは、凹凸の間隔や、Ｓ極，Ｎ極の間隔等の精度を予め測定しておけば、信号処理によって間隔の精度誤差を補正することが可能である。したがって、その場合にはエンコーダ自体に高い機械的精度は要求されず、比較的安価なものを適宜採用できる。

修正角速度差検出部３３は、エンコーダ３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃによって測定点Ｍａ，Ｍｂ，Ｍｃで測定された角速度の測定点Ｍａ，Ｍｂの間の区間Ｗabにおける修正角速度差ωabと、測定点Ｍｂ，Ｍｃの間の区間Ｗbcにおける修正角速度差ωbcとをそれぞれ算出する。

異常診断部３５は、ＣＰＵ、メモリ、インターフェース等を含むコンピュータ装置により構成される。異常診断部３５は、修正角速度差検出部３３で算出された修正角速度差ωabと修正角速度差ωbcとの修正角速度差の比Ｒ（修正角速度差比Ｒ＝ωab/ωbc）を求める。そして、求めた修正角速度差比Ｒを、予め定めた閾値である修正角速度差比Ｒｃと相対比較して、風力発電装置１０に異常が発生したと診断する。閾値の修正角速度差比Ｒｃは、修正角速度差の変数で除算し、機械装置の構造に応じて区間毎に異なる閾値としてもよく、構造による特性が略同等であれば同じにしてもよい。また、異常診断部３５は、異常の発生箇所により大小が変化する特性を利用して、閾値の範囲から外れる場合に異常が生じたと判断するとともに、外れる方向（増加又は減少）により発生箇所を推定することも可能である。

次に、上記構成の異常診断装置１００による異常診断の手順を説明する。
＜異常がない場合の基本特性＞
図２は、図１に示す主軸１１及び増速機１５に異常がなく、入力トルクが一定の状態で、入力角速度が増加した場合の測定点Ｍａの角速度ωａ、測定点Ｍｂの角速度ωｂ、測定点Ｍｃの角速度ωｃの時間変化を模式的に示した説明図である。同図においては、変化前の角速度ωａを基準として、角速度ωｂ，ωｃを角速度ωａと同じになるように補正して示している。つまり、定速状態となる定常時における角速度ωａ，ωｂ，ωｃがそれぞれ同じになるように補正する。また、以降に説明する図３〜図５についても同様に、縦軸は補正した角速度で示している。

図２に示す場合、測定点Ｍａの角速度ωａの増加に伴って、測定点Ｍｂの角速度ωｂは、角速度ωａからの僅かな遅れΔＴab１を生じている。また、測定点Ｍｃの角速度ωｃは、角速度ωｂからの僅かな遅れΔＴbc１を生じている。つまり、角速度ωａの増加に伴って角速度ωｂ，ωｃは僅かな遅れを有するだけで、略遅延なく増加する。

図３は、主軸１１及び増速機１５に異常がなく、トルク変動(増加)がある状態で、入力角速度が増加した場合の測定点Ｍａの角速度ωａ、測定点Ｍｂの角速度ωｂ、測定点Ｍｃの角速度ωｃの時間変化を模式的に示した説明図である。

図３に示す場合、測定点Ｍａの角速度ωａの増加に伴って、測定点Ｍｂにおいては、トルク変動に伴う主軸１１のねじれ等により、角速度ωａが定常状態に達したタイミングから遅れΔＴab２を有して角速度ωｂが定常状態に達する。また、測定点Ｍｃにおいては、増速機１５内の軸のねじれや歯車の変形等により、角速度ωｂが定常状態に達したタイミングから遅れΔＴbc２を有して角速度ωｃが定常状態に達する。

遅れΔＴab２は、前述したトルク変動のない場合の遅れΔＴab１より大きな遅れ（ΔＴab２＞ΔＴab１）であり、遅れΔＴbc２も同様に、前述したトルク変動のない場合の遅れΔＴbc１よりも大きな遅れ（ΔＴbc２＞ΔＴbc１）である。

なお、本構成ではエンコーダ３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃにより角速度の修正角速度差を算出するが、説明をより簡単にするため、ここでは、図示した遅れΔＴab１、ΔＴab２を修正角速度差ωabに対応するパラメータとし、遅れΔＴbc１、ΔＴbc２を修正角速度差ωbcに対応するパラメータとして説明する。

上記のように、主軸１１と増速機１５は共に異常がない場合、角速度ωｂ，ωｃの遅れΔＴab１とΔＴbc１との関係は一定であり、また、上記したトルク変動のある場合でも、遅れΔＴab２とΔＴbc２との関係は一定となる。つまり、修正角速度差ωabと修正角速度差ωbcとの関係は一定となる。

トルク変動がある場合の遅れΔＴab２、ΔＴbc２は、変動がない場合の遅れΔＴab１、ΔＴbc1よりも大きくなるが、その場合でも、いずれの区間においてもΔＴab１：ΔＴbc１＝ΔＴab２：ΔＴbc２の関係は維持される。つまり、修正角速度差ωabと修正角速度差ωbcとの関係は一定となる。

ここで、図２に示すトルク変動のない場合で診断の手順を説明する。
修正角速度差検出部３３は、遅れΔＴab１とΔＴbc１に示されるように、測定点Ｍａ，Ｍｂの区間と、測定点Ｍｂ，Ｍｃの区間における修正角速度差ωab,ωbcをそれぞれ算出する。

そして、異常診断部３５は、修正角速度差検出部３３で算出された修正角速度差ωabと、修正角速度差ωbcとの比Ｒ（＝θab／θbc）を求める。そして、求めた修正角速度差比Ｒを、予め定めた閾値である修正角速度差比Ｒｃ（具体的には、修正角速度差比Ｒの所定範囲の上限、下限を、機械が正常である適正範囲の限界値としてもよい）と比較する。修正角速度差比Ｒが、予め定めた修正角速度差比Ｒｃの範囲であれば、図３に示すように、発生した角速度の遅れによる修正角速度差が入力トルクの変動により生じたものと判定する。一方、修正角速度差比Ｒが修正角速度差比Ｒｃの範囲外であれば、発生した角速度の遅れによる修正角速度差が軸受や歯車等の機械の異常により生じたものと判定する。

＜異常が生じた場合の角速度の変化特性＞
次に、機械に異常が生じた場合について説明する。
図４は、図１に示す増速機１５に異常がなく主軸１１に異常があり、入力トルクの変動（増加）がない状態で、入力角速度が増加した場合の測定点Ｍａの角速度ωａ、測定点Ｍｂの角速度ωｂ、測定点Ｍｃの角速度ωｃの時間変化を模式的に示した説明図である。

図４に示す場合、測定点Ｍａの角速度ωａの増加に伴って、測定点Ｍｂにおいては、異常が無い場合よりも大きな遅れΔＴab３を有して角速度ωｂが増加する。一方、測定点Ｍｃにおいては、角速度ωｂの増加に伴って異常が無い場合の遅れΔＴbc３（ΔＴab３＞ΔＴbc３）で角速度ωｃが増加する。

異常診断部３５は、遅れΔＴab３とΔＴbc３による遅れの修正角速度差比Ｒを求め、予め定めた修正角速度差比Ｒｃと比較する。異常診断部３５は、修正角速度差比Ｒと、予め定めた修正角速度差比Ｒｃとの相対比較によって、入力トルクの変動により生じたか、機械の異常により生じたかを判定する。ここでは、測定点Ｍａ，Ｍｂの区間の遅れΔＴab３（修正角速度差ωab）が測定点Ｍｂ，Ｍｃの区間の遅れΔＴbc３（修正角速度差ωbc）より大きく、修正角速度差比Ｒが、閾値である上限の修正角速度差比Ｒｃ以上となる。そのため、異常診断部３５は、異常が無い場合の修正角速度差より大きな修正角速度差を生じている測定点Ｍａ，Ｍｂの区間で、機械の異常、即ち、主軸１１で異常が生じたと診断する。また、測定点Ｍｂ，Ｍｃの区間は正常であると診断する。

このように、求めた修正角速度差比Ｒを閾値である修正角速度差比Ｒｃと相対比較することにより、角速度の遅れによる修正角速度差が、トルク変動により生じたのか、軸受や歯車等の機械の異常により生じたのかを切り分けできる。また、測定点を３箇所設けることで、異常の発生原因と発生部位を特定することが可能になり、診断精度を向上できる。

図５は、図１に示す主軸１１に異常はなく増速機１５に異常があり、入力トルクの変動（増加）がない状態で、入力角速度が増加した場合の測定点Ｍａの角速度ωａ、測定点Ｍｂの角速度ωｂ、測定点Ｍｃの角速度ωｃの時間変化を模式的に示した説明図である。

図５に示す場合、測定点Ｍａの角速度ωａが増加すると、測定点Ｍｂにおいては、僅かな遅れΔＴab４で角速度ωｂが増加するが、測定点Ｍｃにおいては、角速度ωｂの増加に伴って、遅れΔＴab４より大きな遅れΔＴbc４（ΔＴab４＜ΔＴbc４）を有して角速度ωｃが増加している。

異常診断部３５は、遅れΔＴab４とΔＴbc４による遅れの修正角速度差比Ｒを求め、予め定めた修正角速度差比Ｒｃと比較する。ここでは、測定点Ｍｂ，Ｍｃの区間の修正角速度差ωbcが、測定点Ｍａ，Ｍｂの区間の修正角速度差ωabより大きく、修正角速度差比Ｒが、閾値である下限の修正角速度差比Ｒｃ以下となる。そのため、異常診断部３５は、修正角速度差が大きい方の測定点Ｍｂ，Ｍｃの区間で、機械の異常、即ち、増速機１５で異常が生じたと診断する。また、測定点Ｍａ，Ｍｂの区間は正常であると診断する。

この場合でも、図４に示す場合と同様に、２つの区間で角速度の遅れの修正角速度差比を求めることにより、角速度の遅れによる修正角速度差が、入力トルクの変動により生じたのか、軸受や歯車等の機械の異常により生じたのかを正確に判定できる。また、２つの区間のどちらで異常が発生したかを確実に判定できる。よって、正確な異常診断が行える。

特に風力発電装置においては、風量に応じて、回転部の角速度、回転トルクが変動しながら回っており、２箇所以下の測定点による診断では診断の正確性に欠けるが、測定点を３箇所以上とすることで、正確な異常診断が可能となる。これによれば、回転変動や負荷変動が生じた場合でも、異常発生箇所を正確に特定できる。つまり、外部からトルク変動等、入力に乱れが生じた場合でも、その影響を排除して、安定して正確な診断が行え、より精度の高い診断が行える。

また、本構成によれば、角速度検出部として比較的安価なエンコーダを用いることで済み、異常診断装置１００の設備コストの増加を抑制できる。例えば、振動センサ、超音波センサ、ＡＥセンサ等の比較的高価な検出手段を用いる場合と比較して、ノイズ除去のための複雑な信号処理技術を要せず、異常診断装置１００のコストを低く抑えることができる。そして、２箇所以下の測定点からの検出信号に基づいて異常を診断する方式と比較して、少なくとも２区間の修正角速度差から診断する本構成では、外部からのノイズに影響され難くなり、診断結果の信頼性が高くなる。

本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

例えば、上記説明で、測定箇所を主軸、入力軸、出力軸としているが、図１で示すように入力軸、中間軸、出力軸としても良い。
また、上記説明では、３箇所の測定点で角速度を測定して、２区間における角速度の遅れによる修正角速度差の比と、閾値との相対比較により異常診断を行っていたが、３区間以上、即ち、４箇所異常の測定点で３区間以上の各区間における修正角速度差を用いて異常診断を行ってもよい。

例えば、４箇所の測定点で角速度を測定して異常診断する場合は、図１に示すように、増速機１５内の不図示の中間軸にエンコーダ３１Ｄを設置する構成であってもよい。この場合、修正角速度差検出部３３により算出される測定点Ｍａ，Ｍｂ間、測定点Ｍｂ，Ｍｄ間、及び測定点Ｍｄ，Ｍｃ間の合計３区間における角速度の遅れによる修正角速度差を求め、これら修正角速度差の修正角速度差比を、予め定めた閾値と相対比較することにより、風力発電装置１０の異常を細分化して、より詳細に診断できる。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） 回転駆動される回転部を有する機械装置において、前記回転部の３箇所以上の測定点で、前記回転部の角速度をそれぞれ検出する工程と、
前記測定点で検出された前記角速度から、各測定点の定常の角速度値が同じになるように補正した修正角速度をそれぞれ求めて、前記測定点間の前記修正角速度の差を前記測定点の区間毎に求め、これら前記区間毎の修正角速度差の比と、予め定めた閾値とを相対比較して、前記機械装置に発生する異常を診断する工程と、
を備える機械装置の異常診断方法。
この機械装置の異常診断方法によれば、複数の測定点間の修正角速度差の比を、予め定めた閾値と相対比較することで、測定のための設備コストの増加を抑えつつ、装置外部からの要因により角速度の測定に影響が及んだ場合でも、高精度に異常を診断できる。

（２） 前記異常を診断する工程は、異常が発生したと判断された場合に、前記修正角速度差が異常が無い場合と比較して大きい側の区間に異常が発生したと判定する（１）に記載の機械装置の異常診断方法。
この機械装置の異常診断方法によれば、異常が発生した区間を特定できるため、修繕箇所を特定でき、メンテナンス性を向上できる。

（３） 回転駆動される回転部を有する機械装置において、前記回転部の３箇所以上の測定点に設置され、前記回転部の角速度をそれぞれ検出する角速度検出部と、
前記測定点で検出された前記角速度から、各測定点の定常の角速度値が同じになるように補正した修正角速度をそれぞれ求めて、前記測定点間の前記修正角速度の差を前記測定点の区間毎に求め、これら前記区間毎の修正角速度差の比と、予め定めた閾値とを相対比較して、前記機械装置に発生する異常を診断する異常診断部と、
を備える異常診断装置。
この異常診断装置によれば、複数の測定点間の修正角速度差の比を、予め定めた閾値と相対比較することで、測定のための設備コストの増加を抑えつつ、装置外部からの要因により角速度の測定に影響が及んだ場合でも、高精度に異常を診断できる。

（４） 前記角速度検出部は、エンコーダにより構成される（３）に記載の異常診断装置。
この異常診断装置によれば、角速度検出部としてエンコーダを用いるので異常診断装置を低コストで構成できる。

（５） 前記機械装置は、風力発電装置であり、
前記回転部は、
ブレードが接続される主軸と、
前記主軸に接続される増速機の入力軸と、
前記増速機の出力軸と、
を含む（３）又は（４）に記載の異常診断装置。
この異常診断装置によれば、低コストで、外部からの影響を受け難く、且つ高精度での風力発電装置の異常診断が可能となる。

１０ 風力発電装置（機械装置）
１１ 主軸（回転部）
１３ ブレード
１５ 増速機
２３ 入力軸（回転部）
２５ 出力軸（回転部）
３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ エンコーダ（角速度検出部）
３３ 修正角速度差検出部
３５ 異常診断部
１００ 異常診断装置
Ｍａ，Ｍｂ，Ｍｃ，Ｍｄ 測定点

Claims (5)

1. 回転駆動される回転部を有する機械装置において、前記回転部の３箇所以上の測定点で、前記回転部の角速度をそれぞれ検出する工程と、
   前記測定点で検出された前記角速度から、各測定点の定常の角速度値が同じになるように補正した修正角速度をそれぞれ求めて、前記測定点間の前記修正角速度の差を前記測定点の区間毎に求め、これら前記区間毎の修正角速度差の比と、予め定めた閾値とを相対比較して、前記機械装置に発生する異常を診断する工程と、
   を備える機械装置の異常診断方法。
2. 前記異常を診断する工程は、異常が発生したと判断された場合に、前記修正角速度差が異常が無い場合と比較して大きい側の区間に異常が発生したと判定する請求項１に記載の機械装置の異常診断方法。
3. 回転駆動される回転部を有する機械装置において、前記回転部の３箇所以上の測定点に設置され、前記回転部の角速度をそれぞれ検出する角速度検出部と、
   前記測定点で検出された前記角速度から、各測定点の定常の角速度値が同じになるように補正した修正角速度をそれぞれ求めて、前記測定点間の前記修正角速度の差を前記測定点の区間毎に求め、これら前記区間毎の修正角速度差の比と、予め定めた閾値とを相対比較して、前記機械装置に発生する異常を診断する異常診断部と、
   を備える異常診断装置。
4. 前記角速度検出部は、エンコーダにより構成される請求項３に記載の異常診断装置。
5. 前記機械装置は、風力発電装置であり、
   前記回転部は、
   ブレードが接続される主軸と、
   前記主軸に接続される増速機の入力軸と、
   前記増速機の出力軸と、
   を含む請求項３又は請求項４に記載の異常診断装置。

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